[发明专利]自动判断并设定激光频率和功率的控制方法

说明书

本发明公开了一种自动判断并设定激光频率和功率的控制系统及其控制方法。本发明采用双激光器结构，主控单元能够根据光谱信号自动搜索并自动判断主激光器的输出频率，在自动优化主激光器的输出功率至目标功率后，将频率自动锁定到原子或分子谱线上；从激光器与主激光器的输出合束后产生拍频信号，主控单元能够自动判断主激光器和从激光器的输出频率的大小关系，从而准确且自动判断从激光器的输出频率，在自动优化从激光器的输出功率至目标功率后，利用主控单元生成锁频误差信号，在80GHz范围内实现对从激光器频率的锁定；本发明的方法可以广泛应用在激光冷却、原子频标，原子干涉仪以及激光波长计等基础研究和精密测量技术领域。

技术领域

本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种自动判断并设定激光频率和功率的控制系统及其控制方法。

背景技术

在稳频激光相关的精密测量设备以及应用高频率精度激光的装置中，通常需要在较大范围内调谐并锁定激光的输出频率。激光的老化，参数漂移或者工作环境的较大起伏会使得激光频率漂移出系统锁定范围，从而造成设备的失效或者指标下降，激光器如果具有自动判断并自动设定频率的功能，设备的指标已经平均无故障时间将大幅上升。

通常，在稳频激光器或者应用了高频率精度激光的设备或装置中，需要在较大范围内调谐并锁定激光频率。常用的方法是先使用控温单元将激光器温度控制在一定的固定范围之内 (以半导体激光器为例，温度的不确定度一般控制在毫开尔文/1小时，对应激光频率的不确定度为20MHz量级)，然后再调节激光的注入电流，使得激光频率与某种样品(例如原子气室，分子气室或光学谐振腔等)共振，探测并处理共振产生的光谱信号获得误差信号，再利用误差信号控制激光频率(可控制激光的电流，共振腔长度或者激光温度)，实现激光频率的锁定(锁定后通常可以将激光频率的不确定度控制在1MHz量级)。

利用原子或分子谱线做参考，激光频率只能锁定在几个固定的分立的频率值上，如果所需的激光频率与谱线的共振频率不一致，则需要使用复杂的外调制装置(例如声光调制，或电光调制等)将激光频率调节过去，且外调制装置不一定能够无缝覆盖原子或分子光谱共振频率之间的所有频率。利用光学谐振腔做参考，如果谐振腔镜之间的光程差不变，激光频率也只能锁定在几个固定的分立的频率值上；如果谐振腔长度能够被调谐，那么调谐精度会直接影响输出激光频率的精度。另外，谐振腔的长度非常容易受到环境各种因素的干扰(例如环境温度变化，湿度变化，机械振动等等)，这些干扰会使得腔的谐振频率发生漂移，从而影响激光器的输出频率。

老化会使得激光器在初始设定温度条件下，达到系统需要的输出频率时，输出光的功率下降，产生的测量信号强度下降，从而使得整个装置指标下降甚至失效；激光参数变化或者环境条件有较大起伏时，激光在原有的设定温度下无法通过调节注入电流将激光频率调节到目标值，或者激光温度可能不能被锁定到原有的设定值，这样设备无法正常工作。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种自动判断并设定激光频率和功率的控制系统及其控制方法，能够在激光器本身没有失效的前提下，自动判断并锁定激光器频率至目标值。

本发明的一个目的在于提出一种自动判断并设定激光频率和功率的控制系统。